Литье 2010 (Что-то вроде лекций или метод), страница 11

Необходимую прочность и жесткость обеспечивают формой детали; оребрением, приданием детали выпуклых, сводчатых, сферических, конических и тому подобных форм. Такой метод всегда приводит к получению более легких конструкций.

После этого сразу же возникает второй критерий, связанный с первым.

Жесткость. Известно, что работоспособность конструкции в той же мере, как и прочность (а иногда и в большей), определяет жесткость. Жесткость имеет большое значение для приборов облегченного типа. Стремясь облегчить конструкцию и максимально использовать прочностные ресурсы материала, конструктор в данном случае повышает уровень напряжения, что сопровождается увеличением деформаций.

Жесткость оценивают коэффициентом жесткости, представляющим собой отношение силы Р, приложенной к системе, к максимальной деформации f , вызываемой этой силой.

Для случая растяжения-сжатия бруса постоянного сечения в пределах упругой деформации коэффициент жесткости согласно закону Гука

,

где – сечение бруса, мм²; – длина бруса в направлении действия силы, мм; Е – модуль нормальной упругости материала.

Жесткость конструкций определяют следующие факторы:

• модуль упругости материала (модуль нормальной упругости Е при растяжении-сжатии и изгибе, модуль сдвига G – при сдвиге и кручении);

• геометрические характеристики сечения деформируемого тела (сечение F при сдвиге и растяжении-сжатии, момент инерции I при изгибе, полярный момент инерции I при кручении);

• линейные размеры деформируемого тела (длина l);

• вид нагрузки и тип опор.

Модуль упругости является устойчивой характеристикой металлов, мало зависит от термообработки и содержания легирующих элементов и определяется лишь полностью атомно-кристаллической решеткой основного компонента.

На жесткость конструкции косвенно влияет прочность материала. При прочих равных условиях деформации пропорциональны напряжениям. Но напряжения принимают, как правило, пропорциональными прочности материала; допустимые напряжения представляют собой отношение предела прочности (или предела текучести) к коэффициенту прочности. Следовательно, чем выше прочность материала, тем больше допустимое напряжение и при прочих равных условиях больше деформация системы. Напротив, чем меньше запас прочности и ближе действующее в системе напряжение к пределу прочности, тем больше деформация и меньше жесткость системы.

Наиболее простой способ уменьшения деформаций заключается в уменьшении уровня напряжений. Однако этот путь не рационален, так как он сопряжен с увеличением массы конструкции.

При сравнении жесткости, прочности и массы деталей, изготовленных из различных материалов, следует различать четыре основных случая:

1. Детали одинаковые по конфигурации (при равной нагрузке имеют одинаковое напряжение).

2. Детали равножестки (имеют одинаковые деформации при различных сечениях и напряжениях).

3. Детали равнопрочные (имеют одинаковый запас прочности, различные сечения и напряжения, пропорциональные пределу прочности материала).

4. Детали имеют одинаковую массу.

Первый случай (замена материала детали другим без изменения ее геометрических размеров) практически встречается, когда сечение детали задано технологическим процессом (например, литые детали).

Показатели массы, жесткости и прочности при растяжении-сжатии для рассмотренных случаев сведены в таблице 18. Значения удельной прочности и удельной жесткости одинаковы для всех материалов.

Таблица 18. Характеристики массы, прочности и жесткости.

В случае одинаковой конфигурации по жесткости E и прочности _0,2 наиболее выгодны стали и сплавы титана, а по массе  – сплавы алюминия и магния.

Так как модуль упругости сплавов определяется модулем упругости основного компонента и мало зависит от содержания легирующих элементов, то в случае деталей одинаковой конфигурации, когда на первом плане стоят требования жесткости а уровень напряжения не высок, целесообразно применять наиболее дешевые материалы (например, алюминиевые сплавы вместо сложно легированных). Если же наряду с жесткостью имеет значение прочность, то предпочтительны прочные сплавы.

Точность размеров. Зависит от точности формы, величины усадки сплава и конфигурации отливки. Материал влияет на точность отливок в основном через усадку. Чем меньше усадка сплава, тем меньше ее влияние на точность размеров детали. Подробно формирование точности размеров будет рассмотрено ниже.

Масса отливки. Если конструкция создается для использования в летательных аппаратах, то встает вопрос о минимизации массы отливки (хотя и в общих случаях излишняя масса грозит экономическими потерями). Выше было показано, что масса отливки тесно связана с прочностью, жесткостью и конфигурацией детали.

Выбор материала по его обрабатываемости.

Обрабатываемость обычно определяется цифровыми показателями, полученными путем сравнения данного металла с металлом эталоном. По нормам основным показателем обрабатываемости известного металла принимается скорость резания, соответствующая стойкости резца в течение 60 мин при соблюдении установленных условий резания. Величина сопротивления резанию и гладкость обработанной поверхности считаются дополнительными показателями.

Принимая в качестве эталона (обрабатываемость 100%) автоматную сталь с содержанием 0,12% С, можно получить следующие приблизительные величины показателей обрабатываемости для различных сплавов (в %):

Латунь 200

Сплавы цинка 200

Сплавы алюминия 300-1500

Сплавы магния 500-2000

Следует отдельно отметить сплав АЛ2 за его плохую обрабатываемость особенно при литье под давлением. Причина в следующем. Это эвтектический сплав при содержании кремния в эвтектике 11%. Обычно кремния в сплаве содержится 13%, поэтому при быстрой кристаллизации избыток кремния высыпает по полю эвтектики в виде песчинок повышенной твердости, что приводит к быстрому износу резца. Кроме того, низкие механические свойства сплава не позволяют получить чистую поверхность после резания.

Выбор формы.

Форма детали определяется ее функциональным назначением. При выборе формы руководствуются рядом критериев, из которых главными являются следующие: функция детали, конструктивная целесообразность, технологичность и эстетичность.

Функция детали оказывает, как правило, сильное влияние на выбор формы сопрягаемых поверхностей РЭ и БЭ. Обычно бывает достаточным ограничиться группой типовых поверхностей – плоскость, цилиндр, сфера – и это верно, так как отработаны технологические методы их обработки. Однако никак нельзя согласиться с выводом сделанным в работе В.В.Кулагина «Основы конструирования оптических приборов»: «Функция детали лишь слабо коррелирует с формами поверхностей СЭ». Очевидно, что прочность и жесткость (а это критерии функции детали) во многом определяются формами и расположением поверхностей свободных элементов детали. Нельзя согласиться и с тем, что простота механической обработки является основным фактором при выборе формы поверхности. Безусловно, это важно, но главным является – обеспечение условий выполнения функционального назначения.

Здесь анализируются основные факторы, формирующие главные показатели качества детали и во многом зависящие от технологии литья под давлением – прочность, жесткость, точность.

Конструктивные способы повышения жесткости.

Как было сказано выше в деталях оптических приборов наиболее важным показателем качества является не прочность, а жесткость. Недостаточная жесткость детали проявляется не только в процессе эксплуатации, но и при механической обработке, когда под воздействием силы резания деталь упруго деформируется, что приводит к существенной потере точности обработки.

Главные конструктивные способы повышения жесткости без существенного увеличения массы следующие:

• всемерное устранение изгиба, замена его растяжением или сжатием;

• для деталей, работающих на изгиб целесообразная расстановка опорных стенок, исключение не выгодных по жесткости видов нагружения;

• рациональное, не сопровождающееся возрастанием массы, увеличение моментов инерции сечений;

• рациональное усиление ребрами, работающими предпочтительно на сжатие;

• усиление участков перехода от одного сечения к другому;

• блокированием деформаций введением поперечных и диагональных связей;

• для деталей коробчатого типа – применение скорлупчатых, сводчатых, сферических, яйцевидных и тому подобных форм;

• для деталей типа дисков- применение конических, чашечных, сферических форм; рациональное оребрение, гофрирование;

• для деталей типа плит – применение прочных, коробчатых, двутельных, ячеистых и сотовых конструкций.

Анализируя эпюры напряжений при разных нагрузках, можно отметить следующее.

Для повышения жесткости без увеличения массы деталей необходимо усиливать участки сечений, подвергающихся при данном виде нагружения наиболее высоким напряжениям, и удалять ненагруженные и мало нагруженные участки. При изгибе напряжены сечения, наиболее удаленные от нейтральной оси. При кручении напряжены внешние волокна; по направлению к центру напряжения уменьшаются, и в центре они равны нулю. Следовательно, целесообразно всемерно развивать наружные размеры, сосредотачивая материал на периферии и удаляя его от центра.

Наибольшей жесткостью и прочностью при наименьшей массе обладают развитые по периферии полые тонкостенные детали типа коробок, труб и оболочек.

Примеры согласования конструкции с технологией литья.

а) б) в) г)

Рис.6.7. Конструкции литых кронштейнов разной жесткости.

На рис.6.7 приведены модификации кронштейна с различными усилениями жесткости. Балочный кронштейн подвергается изгибу (рис.6.7,а), тогда как в раскосом кронштейне стержни работают преимущественно на растяжение-сжатие (рис.6.7,б). Конструкция становится еще более прочной и жесткой, если стержни кронштейна соединить сплошной перемычкой, связывающей их в жесткую систему (рис.6.7,в). Кронштейн ферменного типа с вертикальным стержнем (рис.6.7,г) значительно мене жесткий, чем кронштейн на рис.6.7,б, так как конец вертикального стержня под нагрузкой перемещается приблизительно по направлению действия силы и для ограничения деформаций его жесткость не используется.

Все виды рассмотренных кронштейнов могут быть оформлены любым способом заполнения при литье под давлением.

Если кронштейн на рис.6.7,г заполнять дисперсным потоком, то трубчатый вертикальный стержень будет хорошо работать и на изгиб.

Рис.6.8. Консольные литые тонкостенные системы

В тонкостенном цилиндрическом отсеке, несущем поперечную силу Р (рис.6.8,а), все участки, расположенные по образующим, подвергаются изгибу. Нагрузку воспринимают преимущественно боковые стенки (рис6.8,б), параллельные плоскости действия изгибающего момента (зачернены на рисунке), так как их жесткость в этом направлении во много раз больше жесткости стенок, расположенных перпендикулярно плоскости действия момента.

При конической форме (рис.6.8,в,г), приближающей конструкцию к ферменной, стенки конуса, расположенные в плоскости действия изгибающего момента работают: верхние на растяжение, а нижние, подобно раскосу, на сжатие. Боковые стенки испытывают преимущественно изгиб; их жесткость соизмерима с жесткостью верхних и нижних стенок. Следовательно, при конической форме стенки отсека полностью включаются в работу; прочность и жесткость конструкции увеличивается.